王秀蘅¹，孫衛東²，劉俊新³，李玉華¹
(1.哈爾濱工業大學市政與環境工程學院，黑龍江哈爾濱150090；
2.中國市政工程華北設計研究院，天津300074；3.中國科學院生態與環境研究中心，北京100085)

　　摘　要：對一體化氧化溝中斜板沉淀池內部的流態及固液分離效果進行了研究，探討了其分離機理和影響因素。試驗結果表明：沉淀池底部設有的特殊過渡區具有良好的消能作用，可使斜板沉淀區的流態快速從紊流轉變為層流，達到最佳沉淀效果。斜板區的分離過程是污泥沉淀與污泥懸浮層的過濾、捕獲共同作用的結果，其效率比一般二沉池高，水力停留時間＞30 min，出水SS值＜38 mg/L。
　　關鍵詞：一體化氧化溝；斜板沉淀池；固液分離；流態
　　中圖分類號：X703.3
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2001)11-0066-04

　　氧化溝由于其構造簡單和運行管理簡便已發展成為污水生物處理的主要方法之一。為了適應防止水體富營養化的要求，經過適當的調整和改造，氧化溝在去除污水中有機污染物的同時，還可完成生物脫氮和除磷^［1～3］，因此氧化溝被各國廣泛采用。一體化氧化溝(Integrated Oxidation Ditch)是將沉淀池與氧化溝合建，無單獨的污泥回流系統，基建投資和運行費用均較低，并在一定程度上彌補了傳統氧化溝占地大的缺點。由于污泥回流及時，減少了污泥膨脹的可能。
　　氧化溝內多水深＜2 m，目前也有深達3～4.6 m的。為了避免污泥沉積到溝底，溝內混合液的循環流速＞0.3 m/s，通常為0.3～0.5 m/s^［4］。這就使得溝內循環的混合液具有較高的動能。由于受氧化溝結構和運行方式的限制，與氧化溝合建的沉淀池應滿足：①沉淀池與氧化溝的容積比盡可能小；②削減進入沉淀區混合液的能量，以保證高效沉淀。目前應用較多的有BMTS式和船式^［5、6］，斜板沉淀池由于池深淺、占地少、固液分離效果好，也已在一體化氧化溝中廣泛應用。

1　試驗裝置

　　氧化溝主體和斜板沉淀池模型均用有機玻璃制作。污水由高位水箱經轉子流量計流入氧化溝中，并迅速與溝內原有混合液混合。經多次循環處理后，與進水等量的混合液在沉淀池內固液分離，經出水堰排出(見圖1)。

　　由于試驗模型較小，沒有適當規格的曝氣轉刷可以安裝，所以在氧化溝的一端轉彎處設一臺攪拌機推動混合液在溝內循環流動(轉速在100～250 r/min之間調節)。攪拌槳的型式類似于曝氣轉碟，在平面圓盤上固定6片槳板。鑒于攪拌機的供氧能力有限，在進水口前設置一充氧泵。氧化溝模型長為0.8 m，設有沉淀池的廊道寬為0.1 m，另一廊道寬為0.07 m，有效水深為0.3 m，有效容積為41 L。
　　試驗中采用斜板沉淀池作為溝內合建的沉淀池。其迎水面制成坡形，防止溝內混合液在沉淀池前由于截面突縮出現旋渦流。在斜板底部設置雙層穿孔板作為過渡區，以消耗混合液上升時挾帶的動能。沉淀池出水堰口為鋸齒型，保證出水均勻和各個斜板間布水均勻、負荷相等。沉淀池底部長為0.20 m，寬為0.05 m ，距溝底0.05 m，側面廊道寬為0.05 m。沉淀池容積占氧化溝總容積的6.13%。
　　試驗歷時9個月，污水取自哈爾濱市馬家溝河，水質情況(如表1)為典型的城市污水。處理水量為0.6～7.8 L/h，原水溫度基本隨季節而變(10～27 ℃)，污泥濃度為2～2.8 g/L，MLVSS為1.4～1.9 g/L。水質與污泥指標采用標準方法檢測。

表1　馬家溝河污水水質 項目 數值 pH 6.0～7.2 SS(mg/L) 60～160 CODCr(mg/L) 258.9～407.5 BOD₅(mg/L) 100.3～144.8 NH₃-N(mg/L) 18.2～30.5 TKN(mg/L) 23.8～41.2 TP(mg/L) 4.5～8.6

2　斜板沉淀池內流態與固液分離效果

　　斜板沉淀池內的流態如圖2所示，共分為4個區：主流區、過渡區、斜板區和清水區。

2.1主流區
　　主流區即位于沉淀池底部的氧化溝混合液的流動區，其主要作用是傳輸待分離的混合液進入沉淀池，沉淀后的污泥又經此進入氧化溝中隨混合液繼續循環。為防止氧化溝內混合液中污泥沉積，其混合液平均流速取0.35 m/s。設有沉淀池的廊道的過水斷面面積為0.03m²；在沉淀池處，由于其占據一定的斷面，因此過水斷面面積減小至0.0175m²。根據物料平衡原理，沉淀池底部主流區內混合液的平均流速為0.6 m/s。此時水流除水平流速外，還有上、下、左、右的脈動分速，且伴有小的渦流體，屬紊流狀態，在一定程度可使密度不同的水流較好地混合。為使顆粒沉淀，在進入沉淀池斜板區之前必須降低雷諾數以利于顆粒
的沉降。
2.2過渡區
　　位于斜板下部的雙層穿孔板的作用是消能和調整流態，稱為過渡區。當混合液流徑過渡區時，由于穿孔板的阻力和孔徑的放大，向上的流速降低和水流本身旋轉產生的渦流使混合液的能量迅速降低。斜板沉淀池作為二沉池的表面負荷一般為4～6 m3/(m2·h)，相應的斜板區內水流上升速度也為1.11～1.67 mm/s。過渡區消能作用可以用主流區和斜板區的動能比值表示：
　　　　E_主流／E_斜板=［0.60 m/s］²／［1.11 mm/s］²=2.9×10⁵
　　由上式可知，過渡區將混合液的能量衰減了5個數量級。
　　若拆除過渡區雙層穿孔板，不能消除混合液進入斜板區帶有的較大動能，污泥嚴重上翻，固液分離效果極差，出水中SS高達300 mg/L。
　　過渡區的作用還包括均勻進水和作為污泥回流的通道起著雙向傳輸的作用。由于進水不均勻會使部分斜板負荷高而其他斜板負荷低，造成局部積泥、出水SS升高。沉淀池底部主流區內混合液的平均流速為0.6 m/s，是獨立設置在斜板沉淀池底部過渡區中水流速度(10～25 mm/s)的20～50倍，因此雙層穿孔板對保證配水均勻是必不可少的。
2.3　斜板區
　　斜板區是污泥與水分離的實際區域，即工作區。污泥絮凝體在這里形成并在重力作用下沉降到斜板上，澄清后的污水進入清水區。在過渡區形成的污泥顆粒絮凝體在不斷上升的水流帶動下進入斜板沉淀區，在斜板上與重力平衡時形成的動態污泥懸浮層相遇，使不斷上涌的混合液中污泥顆粒被捕獲和過濾。懸浮污泥層的厚度是變化的，當厚度達到一定程度時，重力足以抵抗摩擦力，污泥層就會下沉到氧化溝中進入主流區。此后，從斜板上下滑的污泥層又會逐漸積累，再滑落至氧化溝內周而復始。相對于過渡區對上升水流的阻力而言，懸浮污泥層的動態變化對整個污泥沉降過程沒有太大的影響，試驗結果也證明了這一點。從理論上講，沉淀池的出水效率在很大程度上由混合液的上升流速和污泥沉速決定，只有當污泥沉速大于上升流速時，沉淀才能發生。但由于動態污泥懸浮層的存在，水中的顆粒有充分的機會和活性污泥懸浮層的顆粒碰撞凝聚，其沉速遠遠大于同條件下的靜態沉速，從而可以提高上升水流速度或產水量。
　　斜板間的污水流動狀態理論上應為層流，其雷諾數為15。從圖2可以看出，斜板之間的流動狀態并不是完全的層流，從過渡區上升的旋渦流還需要一段時間和距離才能擴散和穩定，因此只能說斜板區的中、上部水流處于層流狀態。過渡區上升旋渦流對斜板的沖擊影響與混合液的能量及分布的均勻性有關。
　　混合液通過懸浮污泥層類似于絮凝沉淀過程，而混合液的上升流速與污泥的體積濃度有關。上升流速越大，體積濃度越小，懸浮污泥層厚度相應增大。當上升流速接近于自由沉速時，體積濃度接近于零，懸浮污泥層消失。反之，當上升流速越小，懸浮層體積濃度越大。因此水量越大，上升流速越大，過渡區的上升旋渦流對斜板的沖擊影響與混合液的能量也越大，斜板底端的紊流區域增加，懸浮污泥層厚度相應增大。當達到某極限值時，出水SS猛增，斜板頂部污泥開始上翻，此極限即是斜板沉淀池的污泥穿透臨界點。
　　混合液沖擊能量和沉淀池水力停留時間與出水SS的關系，如圖3所示。

　　由圖3可知，隨著停留時間縮短，出水SS逐漸增大。但當水力停留時間＞30 min時，出水中的SS＜38 mg/L；當水力停留時間＜30 min時，出水中的SS值猛增至69～98 mg/L。試驗表明，可將水力停留時間=30 min作為該斜板沉淀池的污泥穿透臨界點。
2.4　清水區
　　清水區能夠分隔沉淀工作區與出水堰區域，使斜板區的沉降過程不受出水水流影響。鋸齒形溢流堰比普通水平堰更易加工也更易保證出水均勻。

3　影響沉淀效果的因素

3.1斜板傾斜角度
　　試驗中改變沉淀池的斜板傾斜角度，利用出水的SS值來判斷出較佳的斜板傾斜角度。表2為傾斜角與出水中SS的關系。由試驗數據可知，斜板呈65°和70°傾角時，出水水質較好。

表2　斜板傾斜角與出水中SS的關系 斜板傾角(°) 55 60 65 70 75 出水SS(mg/L) 40 38 34 23 37

　　沉淀池的固液分離過程包括污泥顆粒在斜板區的沉降和絮凝體沿斜板的下滑回落到氧化溝中。在斜板區污泥顆粒受到的作用力有：自身重力、混合液的沖擊力、斜板的彈力和摩擦力。污泥顆粒在斜板區沉降過程決定于混合液沿垂直向上方向的沖擊力和污泥顆粒的重力之差。因此斜板傾角較大時，沖擊力較大，不利于顆粒沉淀。絮凝體沿斜板的下滑過程則是自身重力、混合液的沖擊力沿斜板方向的分力和摩擦力的共同作用結果。污泥絮體的粘性比顆粒狀泥沙及其絮凝體大，加之斜板區的污泥濃度高，故斜板傾角較小時，其自身重力沿斜板方向的分量不足以抵消其他力沿該方向的合力而不能向下滑動。
3.2　沉淀池的位置與外形
　　在氧化溝內由于受到彎道的影響，在直流段兩端及溝的內外側和溝中間的混合液流速都是不均勻的，在不改變氧化溝的進水量及沉淀池表面負荷的前提下，將沉淀池置于氧化溝直流段的中后段外側，污泥沉淀效果最好。
　　氧化溝設置沉淀池后，該段過水斷面的流態發生了變化，在沉淀池的底部前端混合液的流動發生了突縮變化，在沉淀池后端混合液的流動發生了突擴的變化。因此，在沉淀池前后的混合液流動紊動程度較大，屬于紊流。另外，在沉淀池的底部混合液的過流斷面變小、流速變大，如果過流斷面過小，則此處混合液的流動成為急流。當急流不能維持在臨界水深以下時，則混合液在流過沉淀池的底部后，便向超過臨界水深的緩流進行突變，將產生水躍。此外，水頭損失與速度有關，當急流的速度大于緩流的速度而底坡不足以克服急流的磨擦損失時，急流也將以水躍的形式轉變為緩流。
　　因此，為了減小突縮和突擴形成溝內旋渦區和影響污泥沉降，將沉淀池的迎水面擋板制成船頭型，縮小沉淀池的外寬，使氧化溝內的混合液能同時從沉淀池的底部和側面流動。另外在生產應用中，將氧化溝的橫斷面在沉淀區一段加寬或加深也是一種可取方案。
　　在實際應用中，氧化溝的結構通常根據場地、曝氣設備等條件來確定。對于氧化溝內合建的沉淀池而言，其長寬在氧化溝限定的范圍內。由于受到彎道的影響，在溝直流段兩端及溝的內、外側及溝中間的混合液流速都是不均勻的，因此沉淀池的長與寬是決定沉淀池下部的壓力分布是否均勻的主要因素之一。在不改變氧化溝的進水量及沉淀池表面負荷的前提下，試驗中將沉淀池長寬比L/B對出水SS值的影響進行了考察，結果如圖4所示。

　　從圖4中可以看出，當1.5≤L/B≤4.0時，沉淀池的沉淀效果較好；而當L/B＞4.0或L/B＜1.0時，沉淀效果較差。最佳長寬比為1.5～4.0。分析其原因：
　　①當長寬比值較小時，沉淀池內在寬度方向上和在氧化溝溝寬方向上流速的分布是不均勻的，因而出水水質受到一定的影響。
　　②當長寬比值較大時，雖然寬度方向上影響小，但在池長方向上受到的影響增大，因而出水水質還是受到一定的影響。
3.3　污泥濃度與污泥齡
　　由于污泥的沉速隨懸浮固體濃度MLSS的增加而減小，因此在相同SVI、相同表面負荷率的條件下，MLSS越高則出水SS越高。為維持一定的出水水質，隨著MLSS的增加應相應降低表面負荷率。
　　污泥齡是決定污泥沉降性能的重要因素。污泥齡過短，細菌處于對數增長期，能量較高，不易沉降；而污泥齡過長，污泥容易微細化，因此應根據試驗選擇合適的污泥齡。試驗中將污泥齡控制在10～30 d。

4　結論

　　從以上斜板沉淀池在一體化氧化溝中的固液分離效果和內部混合液的流態試驗，可得出以下結論：
　　①與氧化溝合建的斜板沉淀池效率比一般二沉池高，水力停留時間＞30 min，出水SS值＜38 mg/L。
　　②斜板下部設有特殊的過渡區，具有良好的消能和調整流態的作用，可使斜板沉淀區的流態快速從紊流轉變為層流，達到最佳沉淀效果，沉降過程不受溝內主流的影響。
　　③斜板間的固液分離過程是自由沉淀、絮凝沉淀、污泥懸浮層的過濾和捕獲以及污泥層下滑過程的共同作用。
　　④影響沉淀效果的因素有斜板傾斜角度、沉淀池的位置與外形、污泥濃度和污泥齡。

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　　收稿日期：2001-07-16